污水源热泵系统污水取水装置新进展
摘要：城市污水是一种蕴涵丰富低位热能的可再生热能资源，随着热泵技术的发展，城市污水热能的利用系统也日趋增多。从污水源热泵系统的技术角度看，在有效地解决了污水在取水过程的污杂物堵塞及除垢问题后，污水源热泵空调技术在实际工程应用中已经表现出明显的节能减排效果。本文针对城市污水热能特点以及目前污水源热泵系统的主要形式，综述了国内外污水源热泵污水取水装置的发展状况，分析了目前污水取水技术存在的问题以及对污水源热泵系统性能的影响。基于目前的技术，提出了开式循环集成式污水取水装置，分析了该技术的优点以及应用前景。
1 引言
国家中长期科技发展规划纲要中明确指出，“我国已进入快速城镇化时期，实现城镇化和城市协调发展，对科技提出迫切需求。” 我国城市建筑规模持续以5%～8%的速度增长，同时民众生活水平也有了显著的提高，对生活的舒适度要求更强，为了创造良好的居住环境，城市生活在供热、空调及生活热水方面消耗的能源显著增加。目前我国大型公共建筑每年耗电近1000亿度，占城镇建筑总耗电量的25%以上，并对夏季用电高峰构成直接影响。因此，开发新的可利用能源是目前各领域研究的重点和热点。城市污水是一种蕴涵丰富低位热能的可再生热能资源[1-5]，随着热泵技术的发展，城市污水热能的利用系统也日趋增多，污水源热泵是利用污水处理厂中水或原生污水作为热源进行冬季供热、夏季供冷和全年供应生活热水的重要技术，具有热量输出稳定、机组性能高等特点[6]。污水热泵系统在北欧、日本和我国均得到了一定程度的应用[7-10]。由于污水水质的特殊性，水体中不仅含有大尺度污染物容易堵塞系统管路和设备，而且还含有大量小尺度的污染物极易在管路内外表面沉积形成粘性污泥层，影响换热设备的正常运行。因此从污水源热泵系统的技术角度看，在有效地解决了污水在取水过程的污杂物堵塞及除垢问题后[2, 11-14]，污水源热泵空调技术在实际工程应用中已经表现出明显的节能减排效果。
2 污水源热泵系统形式及污水换热方式
2.1 污水源热泵系统形式
在污水源热泵系统中，根据热泵机组换热器是否直接与污水接触，污水源热泵系统可分为污水热能间接提取方式和污水热能直接提取方式。其系统形式见图1所示。
图1 污水源热泵系统原理图
在污水热能间接提取中，污水不直接进入热泵机组的蒸发/冷凝器，而是通过污水换热器，如图1(a)中的浸泡式换热器提取污水的热能。在浸泡式换热器内，污水在换热管的外侧，管内侧是洁净的中间换热介质，中间换热介质与污水换热后进入机组的蒸发/冷凝器。污水热能间接提取系统有利于机组的稳定运行，对蒸发/冷凝器没有污染，但由于系统增加中间换热设备，一方面增加了系统投资，另一方面降低了污水源热泵机组的性能系数。污水热能直接提取污水源热泵系统中，污水直接与热泵机组的蒸发/冷凝器直接换热，此种形式系统简单，热泵机组的性能系数较高，有利于降低运行费用。因此，污水热能直接提取污水源热泵系统成为污水热能利用的主要发展方向[9]。
2.2 污水换热方式
图2 淋激式换热型污水源热泵系统原理图[15]
目前的污水源热泵系统中，常用的污水换热方式有三种，即浸泡式、淋激式和壳管式[14]三类。浸泡式换热器是在污水源热泵应用初期常用的一种换热方式，将换热管束浸泡在污水池中，见图1所示，以特大的流通断面的方式解决污水换热设备的堵塞问题[14]，但浸泡式换热器由于污水通过换热管表面的流速较小，换热方式以自然对流为主，因此设备的换热系数较小，不适用于大容量机组，目前使用较少。淋激式换热器如图2所示，污水通过喷嘴等装置均匀的淋洒在最上一层换热管上，并以水膜状态沿管壁流向下一层管子进行换热[15]。该设备的换热系数要好与浸泡式换热器。壳管式换热器是近来污水源热泵系统中最常用的换热形式，通常污水走管程。与浸泡式相比，淋激式和壳管式系统中污水均需沉淀、过滤后才能进入设备。因此，污水取水技术成为制约污水源热泵系统的关键技术瓶径，该技术的发展将进一步推动污水源热泵技术的推广和应用。
3 污水取水装置的研究进展
3.1 沉淀、滤网过滤技术
沉淀、过滤是污水源热泵系统取水最早采用的技术，1983年挪威奥斯陆Skøyen Vest建立了第一个城市污水源热泵系统[16, 17]，如图3所示。该系统中污水经过沉淀池沉淀过滤后，再由缝宽旋转式筛分器过滤。污水经过滤后由喷嘴直接喷淋到开式板式蒸发器上[17,18]。2006年奥斯陆完成了Skøyen Vest污水源热泵系统的改造，改造后系统原理图如图4所示[17]。新系统设有两个污水蓄水池，污水在蓄水池中首先沉淀，再由格栅式传送带过滤污水中的污杂物，最后污水进入壳管式蒸发器。图1中的浸泡 式污水源热泵换热系统均是利用沉淀、过滤技术去除污杂物的，可以有效的防堵。但系统在长时间运行后，换热池中将淤积污物，并且换热管外侧还容易结垢，因此在系统运行一段时间后，要对换热池中污物及换热管外侧的污垢的经行清洗。
3.2 反冲洗技术
青岛某酒店于2003年进行了原生污水水源热泵尝试，原理如图5所示，利用A~D四个阀门来实现对过滤面的反冲洗。由于污水杂质浓度太高，所要求的反冲洗周期很短，4个阀门切换时间无法满足反冲洗要求，所以此系统最终失败。
图5 双滤面交替反冲洗污水取水系统原理图
1-污水干渠，2、3-过滤格栅，4-污水泵，5-中介水循环泵，6-污水换热器，7-热泵机组，A-D-反冲洗切换阀门
3.3 机械过滤技术
日本上世纪80年代开发了自动清洗滤水装置[5]，如图6所示。该设备主要由筒状旋转滤筛、刮刷、驱动电机和排污阀等部件组成，电机带动滤筛旋转，污水中的污杂物经筒状滤筛过滤，挂在滤筛上的污杂物被刮刷清除下来，然后在反冲水的作用下排回污水干渠。1995年东京建成了Koraku 1-chome污水源热泵区域供热供冷系统，该系统污水由开式自动旋筛过滤器来过滤污水中的污杂物。开式自动旋筛过滤器如图7所示，该设备由旋转筛滤筒、刮刀、反冲洗喷嘴、电机、污水入口、过滤后污水出口、排污口和壳体构成。原生污水在筛滤筒的连续旋转作用下，实现污杂物的过滤和排除，刮刀刮掉筛滤筒表面的污杂物并且在反冲洗喷嘴喷出的水流作用下实现筛滤筒滤面的清洗。这两种设备都可以实现污水连续稳定的过滤和滤面清洗再生，保证了后端热泵机组运行的稳定性。
在机械过滤技术方面，我国的专家学者也取得了突出的成绩。图8为目前大连华峰采用的污水过滤装置，电机带动旋转椭圆管转动，污水进入腔体内由孔板过滤，孔板上的污杂物在旋转椭圆管的作用下由排污孔排除。此系统没有反冲洗装置，因此，粘附在孔板上污杂物完全由旋转椭圆管刮掉，但实际运行过程中，旋转椭圆管与孔板之间有一定的间隙，长时间运行后在腔体内会沉积大量的污物，同时污水的排污量大。
近几年，在哈尔滨工业大学孙德兴教授的带领下，利用旋转滤面连续再生技术开发了闭式污水取水装置[19]，其基本原理是将旋转孔板(或筒)分成过流面积大小不同的两部分(如图9中的B和C)，B为过滤面，C为再生面;水量相同时，再生面的水流速度高于过滤面，即利用较高的水流实现对旋转滤面的反向冲洗，达到滤面再生的目的。该项技术在哈尔滨、大庆、北京、天津等多个城市取得了成功的应用，取得了很好的节能环保效果。
大连理工大学开发了旋转板式自动除污取水装置和旋转筒式自动除污取水装置，其结构图分别见图10和11所示。旋转板式自动除污取水装置采用锥体或球冠形孔板过滤盘和与之配合的斜口椭圆型吸水管口和排水管口，避免取水装置中吸排水管口处的污水短路问题。而旋转筒式自动除污取水装置依靠重力取水，避免了吸排水管口处的低位冷热源短路问题[20]。这两项技术在实际工程中还没有运用。
2 现有污水取水技术存在的问题分析
目前的污水源热泵系统中，机械过滤技术交为常用，传统的大型沉淀、滤网技术虽然可以解决换热设备的堵塞问题，但是除污设施需要较大的占地空间，并且投资大。机械过滤装置虽然减小了过滤设备的体积，并且能够稳定的运行，实现了滤面水力连续再生。但是这些仍存在一些问题：
(1) 存在内泄漏。由于刮板与过滤断面之间存在间隙，因此过滤后经换热设备换热后的反冲水会通过间隙渗漏到原始污水中，导致原始污水的温度提高或降低，见图12所示，从而降低热泵机组的性能。图13给出了机组性能随内泄漏量的变化，从图中可以看出，无论是冬季供热还是夏季供冷，随内泄漏量的增大，机组性能系数明显下将。
图12 热泵机组入口温度随内泄漏的变化
图13 机组性能系数随内泄漏量的变化
(2) 对于闭式的污水取水系统，取水设备承压高，不但污水输送能耗高，而且在压力的作用下，内泄漏的现象更加明显。污水处理仅采用单一的过滤方式，因此滤面过滤负荷大。同时设备需要多处动密封，导致加工、检修维护难度大。
4 开式循环集成式污水取水技术
针对目前污水取水技术存在的问题，有必要开发新的污水取水技术，一方面减小污水的输送能耗和设备投资，另一方面减小污水的内泄漏现象，从而提高热泵机组的性能，进而推动污水源热泵机组技术的推广和应用。开式循环集成式污水取水技术就避免了上述的缺点。本技术采用开式循环系统设计方法，多腔体结构设计，主要有杂质分离腔、蓄水腔、清洗腔和排污腔。图14给出了开式循环集成式污水取水装置的内部结构示意图。该技术集成了多种过滤方法，比如撞击分离、低速沉降和孔板过滤，因此减小了过滤断面的过滤负荷，使用过滤断面双向冲洗技术，使清 洗断面更加彻底。此装置既适用于污水热能间接提取取水系统，也适用于污水热能直接提取取水系统，如图15所示。
图14 开式循环集成式污水取水装置
1-箱体;2-杂质分离腔;3-蓄水腔;4-排污腔;5-清洗腔;6-旋转孔板;7-孔板隔板;
8-清洗腔侧隔板;9-清洗腔底板;10-排污管;11-溢流板;12-污水进水管;
13-污水出水管;14-撞击板;15-清洗管
图15 开式循环集成式污水取水装置与热泵系统的连接形式
开式循环集成式污水取水装置具有如下特点：
(1) 设备在常压下运行，降低了材料强度要求，材质选择范围广，箱体不一定要用金属。
(2) 设备压力损失小，降低污水潜水泵与污水循环泵扬程，降低了取水运行能耗;
(3) 设备无动密封与泄漏问题，设备简单，易于加工;
(4) 在杂质分离腔内，撞击板既可使大尺度、比重大的杂质从污水中沉淀下来，又可使密度小的悬浮性杂质从溢流堰板溢流到排污腔排出箱体;
(5) 上述效果使到达孔板滤面的杂物含量大大减少，从而减轻了孔板滤面的过滤负荷和清洗难度，降低了孔板被堵塞的几率，提高滤面再生质量，保证装置连续稳定取水;
(6) 采用孔板滤面双向冲洗技术来清洗转入清洗腔的孔板滤面，既有利于提高滤面的清洗效果，又可实现取水换热过程的连续稳定运行;
(7) 蓄水腔内部设置换热器，可省去现有污水源热泵系统中的中介水系统，降低工程总造价。
5 结语
本文介绍了国内外目前的污水取水装置，分析了现有技术存在的固有问题，针对这些问题，提出了开式循环集成式污水取水技术。该技术成功解决了内泄漏以及设备输送能耗高的问题。该项技术采用多种污水处理技术集成式的设计方法，降低了滤面清洗难度和孔板被堵塞的几率，有利于提高滤面再生质量，同时可实现取水过程的连续稳定运行。开式循环集成式污水取水技术的应用，将进一步推广污水源热泵系统的应用和发展。
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